燃煤电厂超低排放技术路线与协同脱除研究

国能常州发电有限公司 李 鹏

受“碳中和”理念的影响，我国生产企业在研制新型生产技术时，应围绕“降低包含CO2在内的温室气体、污染物的排放量”进行深入探索。以燃煤电厂为例，在传统的火力发电过程中，煤炭作为主要的化石能源，通过燃烧的方式，将煤炭中蕴藏的能量转化为热能，加热锅炉之中的水分，使之从液态转化为气态，之后推动汽轮机运转，带动发电机发电，实际上是完成了从煤炭能源到电能的转化。

传统的火力发电流程中，煤炭燃烧不充分，不仅使大量能量被白白地消耗，还产生了多种含硫、含碳化合物。这些物质如果直接排放到自然环境中，必定会对臭氧层造成污染。因此，如果燃煤电厂的污染物排放不能达到“超低”水平，则必定被时代所抛弃。总体而言，降低污染物排放量，开发多种污染物的协同脱除技术势在必行。

1 我国燃煤电厂污染物超低排放技术发展现状梳理

1.1 脱硫技术

含硫化合物是最主要的污染物之一，特别是SO2，进入云层之后与水融合下降，便会形成酸雨。历史上包含英国伦敦、法国巴黎在内的诸多城市都发生过酸雨灾害，导致大量人口伤亡。煤炭资源在燃烧的过程中会产生烟气，其内含有大量SO2和硫酸根离子（以化合物的形式存在）。为消除烟气中的含硫成分，传统的脱硫方法包含燃烧前、燃烧中、燃烧后共计三种脱硫方式。其中，得到最广泛应用的脱硫技术是石灰石-石膏湿法脱硫技术，能够对煤炭资源中超过95%以上的硫进行有效脱除。

现阶段，我国几乎所有的火力燃煤发电厂都装配了石灰石-石膏湿法脱硫设备，使得我国火力发电厂的含硫污染物排放量已得到良好的控制。近年来我国有关部门进一步要求，所有生产单位排放的SO2浓度不得超过每立方米35mg。为达到这一目的，燃煤电厂需对常规石灰石-石膏湿法脱硫技术进行进一步改造，可行性思路为：对烟气中的余热进行回收，从而达到降低脱硫过程中的能量损耗的目的。此外，还可将传统的单塔单循环脱硫转变为单塔双循环脱硫，进一步降低排放气体中硫相关成分的含量。

1.2 脱硝技术

氮气是空气中的主要成分，含量约占80%。中学化学课本上介绍过氮气的性能——稳定度非常高。但在高温燃烧的情况下，氮气会转变成二氧化氮。与SO2相同，二氧化氮同样是诱发酸雨的主要物质之一，所带来的环境效应多种多样，包含对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化的影响，大气能见度的降低，地表水的酸化等。基于此，研究脱硝技术（形成硝酸的主要元素就是氮）同样十分重要。目前，我国燃煤电厂减排硝酸的主要方式包含使用地硝酸燃烧器、采用空气分级和燃料分级再燃技术[1]。此外还可通过使用催化还原技术，均可对多种氧化氮的排放量进行控制。但根据近年来的新要求，现有技术无法将各类氧化氮的排放浓度降低到每立方米100mg以内。基于此，需在烟气脱硝装置方面进行深入研究。

1.3 除尘技术

在我国北方重工业城市居住过的人都有过如下体验：每次回家之后必须立刻洗脸，之后洗脸水会迅速从清澈变成肉眼可见的污浊。原因便在于，我国北方重工业城市在矿山开采、煤炭燃烧时使用的传统技艺较为落后，导致空气中弥漫大量固体颗粒物。这些物质即使没有毒性，长期被人体吸入也会引发呼吸道疾病，对环境造成的恶性影响较大。

在现代社会，随着PM2.5一词逐渐为人们所知，包含燃煤电厂在内的很多单位都将“除尘”作为重点工作。目前很多燃煤电厂都配备了静电除尘器，据统计此种设备的除尘效率已经高达99.8%，排放烟气中的固态颗粒物浓度已能被控制在每立方米20～30mg 之间。但此种水平与西方发达国家相比仍具有一定差距。西方国家已研制了低温电除尘器，烟尘中固态颗粒物的浓度被限制在每立方米10mg以下。由此可见，我国燃煤电厂除尘技术仍需发展，需进一步降低烟气中固态颗粒物的浓度。

1.4 脱汞技术

煤炭燃烧产生的烟气中汞元素有三种存在形式，分别是微粒结合状态、氧化物状态、单质汞状态，单质汞的捕捉难度最大、氧化物状态的汞含量最高。现阶段，燃煤电厂的脱汞技术主要采用如下方式：使用静电除尘器或布袋除尘器，能对微粒结合状态的汞进行精准捕获；使用SCR 脱硝装置，能将一部分单质汞转化为氧化状态的汞，从而达到降低单质汞捕捉难度目的；在此基础上使用烟气脱硫吸收塔，将一部分氧化物状态的汞进行吸收处理。但在最后一个环节经常发生一个问题，即氧化物状态的汞的性能稳定度不足，有较大的几率会被还原成单质汞，之后会立刻弥散到空气中。目前美国、英国等国家正在探索将SCR 脱硝装置及石灰石-石膏湿法脱硫技术相结合的技术，希望能够实现“协同脱汞”。

1.5 脱碳技术

在诸多温室气体和污染物中，CO2是最常见、也可能是最容易被忽略的物质。原因在于CO2并不是直接污染物，诚然，此种物质是引发温室效应的主要物质，但经由植物的光合作尽管“碳中和”、“碳达峰”等专有名词中所指的“碳”就是CO2，且国家有关部门也已经出台了很多减少碳排放的制度，但一些经济欠发达地区的燃煤电厂现有技术不足，故为了短期利益，很可能无视CO2排放量高这一情况。

目前燃烧后脱碳是公认的短期内最佳CO2减排技术，无论是CO2的捕捉还是处理，有效率均可达到90%以上。但此种技术的缺点在于，捕捉CO2的过程中需要耗费大量能量，且特别容易发生溶剂降解等问题。总体而言，燃煤电厂在后续研发脱碳技术的方向应集中在开发新型CO2吸收剂方面[2]。

1.6 针对烟气污染物协同脱除中多种元素相互影响的研究

煤炭资源本身含有多种物质，在燃烧的过程中这些物质在存在形态方面会发生多种多样的变化。而针对多种类型的污染物进行处理时，须考虑多种元素脱除过程中互相影响的情况。如石灰石-石膏湿法脱硫技术应用时能同时对大量烟尘、部分SO2、SO3、汞的化合物进行有效脱除。

而应用此种技术的另一个目的在于：生成硅酸盐含硫石膏（此种物质在性能方面与天然石膏几乎完全一致，而由于天然石膏是不可再生资源，故该技术已经成为燃煤电厂基于含硫化合物生产可再生石膏产业链环节不可或缺的重要技术）。但使用该技术生产含硫石膏的过程中，每次处理的粉尘浓度、质量都需经过严格控制，否则便会导致含硫石膏的质量受到影响。

与之类似，SCR 装置、静电除尘器等设备在应用过程中，除对特定污染成分进行脱除处理之外，有很大的几率会使其他成分发生预料之外的化学反应（比如使气态SO2发生氧化作用生成SO3，进而对之后的设备进行腐蚀、黏堵等）。由此可见，研究出一种污染物超低排放以及协同脱除机制，能大幅提高燃煤电厂污染物处理效率，这也是未来的重点发展方向。

2 一种基于低温电除尘原理的燃煤烟气污染物一体化脱除与超低排放技术

2.1 技术实现原理

2.1.1 低温电除尘技术

低温电除尘技术的主要原理为：建立并应用一种换热系统，将电除尘器入口处的烟气温度大幅度降低。这样做的目的在于，使低温环境下的烟气性能在一定程度上发生变化。具体而言，如果不使用此种换热系统，则电除尘器入口处的烟气温度将会保持在120～130℃之间，此种温度下的烟气会将比电阻提升至较高的水平，引发的“反电晕”现象将会降低除尘效率。而使用换热系统之后，烟气温度会降低至90℃，此时的粉尘比电阻会明显降低，几乎不会产生反电晕现象，提高除尘效率的同时，还有助于将烟气中存在的大量SO3直接清除。

实际上，低温电除尘技术的实现方式并不复杂，需要重点设计的环节在于：将上述提到的SCR、石灰石-石膏湿法脱硫技术设备等布置在一个完整的协同脱除系统中。以常规的燃煤系统污染物排放系统为例，低温电除尘技术综合应用后，针对多种污染物进行脱除作业的系统排布方式如图1所示。自左至右分别为锅炉、SCR 装置、GAH 装置、低温省煤器、LLESP、石灰石-石膏湿法脱硫系统、CO2吸收器、排放烟囱。

图1 协同脱除设备排布图

具体的协同脱除污染物的流程为：烟气产自于煤炭燃烧过程，因此需在锅炉处设置换热系统。但在烟气进入石灰石-石膏湿法脱硫技术设备之前，可在无需降温的情况下首先通过SCR 系统和GAH系统。之后经由低温省煤器完成降温，以达到降低粉尘（飞灰）比电阻、提高电除尘器工作效率的目的。

总体而言，烟气的体积较小，不会过多损耗风机的能量。当烟气中的SO3经过冷凝作用后，在粉尘表面被除尘器捕捉后，可大幅度降低后续设备被腐蚀的几率。不仅如此，后续协同脱除环节用于脱除硫元素、含硫化合物而使用的水剂量也会大幅度降低，脱硫效率会明显提升。在此种设计下，脱硫吸收塔出口SO2的质量浓度低于每立方米35mg，可满足燃烧后CO2化学吸收对烟气中SO2质量浓度的要求，减轻或避免SO2对胺基CO2吸收剂降解的影响。

2.1.2 湿式电除尘技术

湿式电除尘技术的作用原理为：以喷淋系统替代传统的干式静电除尘器的振打系统。这种调整的功能在于能够在集成板上形成大范围的水膜，有助于将其上积尘的污染物固体颗粒全部吸走，达到提高除尘效率的目的。湿式电除尘器应用于粉尘颗粒脱除作业时，还能够对PM2.5、SO3、硫酸气溶胶等污染物进行有效吸附，大幅度降低二次扬尘的发生率。因此，后续协同脱除作业环节无需设置振打设备。

2.2 技术应用过程中出现的问题及解决方式

2.2.1 低温电除尘设备运行期间温度低于酸露点，造成烟尘性质变化问题

低温电除尘器设备运行需首先将烟气温度从120～130℃间降低至90℃左右，从而达到提高脱出效率目的。但温度骤然降低30～40℃后，烟尘中的很多物质的化学性能会发生较大的改变。这种改变会与初始目的背道而驰，反而会提高二次扬尘、灰斗堵灰等现象的发生率。解决该问题的方法为对烟尘中的灰硫比参数进行精确检测，若该数值超过100，则烟气中的SO3的有效托出率可达到95%以上。此种情况下烟气降温后通过下游烟道时出现低温腐蚀的几率较低。但若温度进一步降低时，便需考虑SO2与SO3溶于水的情况。这时便特别容易发生腐蚀内部构件的情况。因此需特别注意煤种硫分及烟气温度的控制，既要达到降温的目的，又要防止烟气温度降低幅度过大。

2.2.2 湿式电除尘器入口烟气温度过高导致的烟尘颗粒干燥问题

石灰石-石膏湿法脱硫技术设备的烟气入口处的温度一旦过高，便会导致烟气中的固体颗粒处于极其干燥的状态，此时协同脱除作业效率会大打折扣。解决该问题的方法为，将进入石灰石-石膏湿法脱硫系统的烟气温度控制在饱和温度之下。但需要注意，石灰石-石膏湿法脱硫系统中排除的水分中同样会含有大量细微颗粒物和含硫酸性物质，故不能直接排放，需要在其后方设置废水处理系统。

3 结语

我国是负责任的大国，在全球气候峰会上各项承诺随着时间的进展均已在完成。下一阶段我国的目标是：力争在2050年前后彻底实现碳中和（发展过程中排放的CO2量与通过环保手段消除的CO2量整体一致）。若要达到这一目的，包含燃煤电厂在内的很多传统污染物排放重点单位必须对现有的污染物处理方式进行全面升级，力争实现污染物超低排放。只有如此，才有助于堵上西方政客的嘴，并为全球各国做好示范。